一种二氧化硅-有机改性蒙脱土纳米纤维膜及其制备方法和应用专利检索-编织花边制作针织饰带非织造布专利检索查询-专利查询网

一种二 氧化 硅-有机改性蒙脱土纳米 纤维膜及其制备方法和应用

专利类型	发明公开	法律事件	公开;
专利有效性	公开	当前状态	公开
申请号	CN202510116424.2	申请日	2025-01-24
公开(公告)号	CN119877191A	公开(公告)日	2025-04-25
申请人	新疆理工学院;	申请人类型	学校
发明人	王雅茹; 于庆宇; 姜俊博; 贾爽;	第一发明人	王雅茹
权利人	新疆理工学院	权利人类型	学校
当前权利人	新疆理工学院	当前权利人类型	学校
省份	当前专利权人所在省份：新疆维吾尔自治区	城市	当前专利权人所在城市：新疆维吾尔自治区阿克苏地区
具体地址	当前专利权人所在详细地址：新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县学府西路1号	邮编	当前专利权人邮编：843100
主IPC国际分类	D04H1/4209	所有IPC国际分类	D04H1/4209 ; D04H1/728 ; D06M11/79
专利引用数量	0	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	10	专利文献类型	A
专利代理机构	北京博尔赫知识产权代理事务所	专利代理人	孙盟盟;
摘要	本发明属于耐火保温材料技术领域，提供了一种二氧化硅 ‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜及其制备方法和应用。本发明的方法包含如下步骤：将硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸混合后加热，进行纺丝，得到二氧化硅纳米纤维膜；将二氧化硅纳米纤维膜浸渍于有机改性蒙脱土溶液中进行超声震荡后干燥，得到SiO2/O‑MMT纳米纤维膜。本发明通过静电纺丝法和原位交联法制备得到的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜具有较好的隔热保温能力，其中超薄的O‑MMT纳米片分布在纳米多孔SiO2纤维基体中，O‑MMT在多孔基体内形成固体结构，并与SiO2纤维交联，其协同作用改善了陶瓷膜的力学性能，同时增强了陶瓷纤维膜的保温性能。
权利要求	1.一种二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包含如下步骤： 1)将硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸混合后加热，得到二氧化硅纺丝液；将二氧化硅纺丝液进行纺丝，得到二氧化硅纳米纤维膜；将有机改性蒙脱土加入N,N‑二甲基甲酰胺中，超声处理得到有机改性蒙脱土溶液； 2)将二氧化硅纳米纤维膜浸渍于有机改性蒙脱土溶液中进行超声震荡，超声产物进行干燥，得到二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜。 2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述盐酸的质量浓度为0.8～ 1.2％。 3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸的质量比为18～19.5：7.5～8.5：2.3～3：1.2～1.32。 4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述加热的温度为75～88℃，加热在搅拌条件下进行，搅拌的速率为450～650r/min。 5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述纺丝的过程中，电压为18～25kV，纺丝喷头移动速度为350～430cm/min。 6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述有机改性蒙脱土和N,N‑二甲基甲酰胺的质量体积比为0.15g：33～42mL。 7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述超声处理的时间为1.5～2.5h；步骤2)所述超声震荡的时间为0.5～1h。 8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述干燥为烘干处理或阴干处理，烘干处理的温度为90～110℃，烘干处理的时间为7～9h；阴干处理的时间为2.5～3.5d。 9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜。 10.权利要求9所述的二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜在保温隔热防火中的应用。
说明书全文	一种二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜及其制备方法和应用技术领域 [0001] 本发明涉及耐火保温材料技术领域，尤其涉及一种二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜及其制备方法和应用。背景技术 [0002] 具有隔热和耐火性能的纤维材料对于航天服、头盔、鞋子等可穿戴防护系统至关重要。为了增强隔热和耐火性能，研究人员开发了具有新型成分和结构的合成纤维，如陶瓷纳米纤维膜。陶瓷纳米纤维膜具备质轻、低导热性、优异的防火及耐腐蚀性等，在恶劣条件下的隔热防护中这些性能不可或缺，也因此吸引了越来越多的科研工作者的关注。然而陶瓷纳米纤维膜通常具有脆性和较弱的力学性能，因此在施加机械应力、长时间高温暴露或在温度急剧变化下易发生强度退化或结构坍塌，限制了它们在许多前沿领域中的应用，包括极端环境下的个人防护服及电子防护。因此，在恶劣环境中具备较强的机械性能，同时又能保持质轻、优异的隔热和阻燃性是陶瓷纳米纤维膜长期以来面临的重大挑战。 [0003] 为了拓展SiO2纳米纤维膜在实际生产中的应用，开发新的方法来增强膜的力学性能显得至关重要，在膜结构中加入柔韧的一维纤维是增强膜材料结构坚韧性的有效方法，传统的制备方法由于柔性陶瓷纳米纤维之间存在孔隙和间隙，且纳米纤维之间缺乏稳定的界面相互作用，限制了其隔热性能、机械稳定性及力学性能的大幅度提高，因此陶瓷纳米纤维膜的力学性能和隔热性能还有很大的提升空间。此外，力学稳定性陶瓷纳米纤维膜材料的复杂制备方法也限制了其大规模产业化应用的潜力和发展。 [0004] 因此，迫切需要开发一种简单的制备方法来增强二氧化硅纳米纤维膜的隔热性能、机械稳定性及力学性能。发明内容 [0005] 本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜及其制备方法和应用。 [0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案： [0007] 本发明提供了一种二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜的制备方法，包含如下步骤： [0008] 1)将硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸混合后加热，得到二氧化硅纺丝液；将二氧化硅纺丝液进行纺丝，得到二氧化硅纳米纤维膜； [0009] 将有机改性蒙脱土加入N,N‑二甲基甲酰胺中，超声处理得到有机改性蒙脱土溶液； [0010] 2)将二氧化硅纳米纤维膜浸渍于有机改性蒙脱土溶液中进行超声震荡，超声产物进行干燥，得到二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜。 [0011] 作为优选，步骤1)所述盐酸的质量浓度为0.8～1.2％。 [0012] 作为优选，步骤1)所述硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸的质量比为18～19.5：7.5～8.5：2.3～3：1.2～1.32。 [0013] 作为优选，步骤1)所述加热的温度为75～88℃，加热在搅拌条件下进行，搅拌的速率为450～650r/min。 [0014] 作为优选，步骤1)所述纺丝的过程中，电压为18～25kV，纺丝喷头移动速度为350～430cm/min。 [0015] 作为优选，步骤1)所述有机改性蒙脱土和N,N‑二甲基甲酰胺的质量体积比为0.15g：33～42mL。 [0016] 作为优选，步骤1)所述超声处理的时间为1.5～2.5h；步骤2)所述超声震荡的时间为0.5～1h。 [0017] 作为优选，步骤2)所述干燥为烘干处理或阴干处理，烘干处理的温度为90～110℃，烘干处理的时间为7～9h；阴干处理的时间为2.5～3.5d。 [0018] 本发明还提供了所述的制备方法制备得到的二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜。 [0019] 本发明还提供了二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜在保温隔热防火中的应用。 [0020] 本发明的有益效果包括以下几点： [0021] 1)本发明通过静电纺丝法和原位交联法制备得到二氧化硅‑有机改性蒙脱土(SiO2/O‑MMT)纳米纤维膜，采用静电纺丝法得到的纳米纤维膜外貌均匀，纳米纤维空隙较多，可以给予O‑MMT更好的附着空间，其中超薄的O‑MMT纳米片分布在纳米多孔SiO2纤维基体中，与纤维进一步接触，O‑MMT在多孔基体内形成固体结构，并与SiO2纤维交联，其协同作用改善了陶瓷膜的力学性能，同时增强了陶瓷纤维膜的保温性能。此外，SiO2纳米纤维膜本身具有阻燃性，在用于隔热保温材料中能够更好的保存自身形态。 [0022] 2)本发明的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜制备方法简单，可以进行数倍面积纤维膜的制备，成本低，操作极为简单，可大面积的制备具有优异延展性，用于保温隔热防火的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜。附图说明 [0023] 图1为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的扫描电子显微镜图； [0024] 图2为实施例2自然阴干处理得到的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜； [0025] 图3为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜进行拉伸前的形貌； [0026] 图4为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜进行拉伸后的形貌； [0027] 图5为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的酒精灯加热图，其中，a为酒精灯火焰加热纳米纤维膜，b为加热后的纳米纤维膜，c为加热后的纳米纤维膜展开图； [0028] 图6为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜在液氮中浸渍的图片。具体实施方式 [0029] 本发明提供了一种二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜的制备方法，包含如下步骤： [0030] 1)将硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸混合后加热，得到二氧化硅纺丝液；将二氧化硅纺丝液进行纺丝，得到二氧化硅纳米纤维膜； [0031] 将有机改性蒙脱土(O‑MMT)加入N,N‑二甲基甲酰胺中，超声处理得到有机改性蒙脱土溶液； [0032] 2)将二氧化硅纳米纤维膜浸渍于有机改性蒙脱土溶液中进行超声震荡，超声产物进行干燥，得到二氧化硅‑有机改性蒙脱土(SiO2/O‑MMT)纳米纤维膜。 [0033] 本发明中，步骤1)所述盐酸的质量浓度优选为0.8～1.2％，进一步优选为0.9～1.1％，更优选为1.0％。 [0034] 本发明中，步骤1)所述硅酸四乙酯、无水乙醇、水和盐酸的质量比优选为18～19.5：7.5～8.5：2.3～3：1.2～1.32，进一步优选为18.3～19.2：7.7～8.3：2.4～2.8：1.23～1.3，更优选为18.5～18.8：7.9～8.0：2.5～2.6：1.26～1.28。 [0035] 本发明中，步骤1)所述加热的温度优选为75～88℃，进一步优选为78～85℃，更优选为80～82℃，加热优选在搅拌条件下进行，搅拌的速率优选为450～650r/min，进一步优选为480～620r/min，更优选为500～600r/min。 [0036] 本发明中，步骤1)所述纺丝的过程中，电压优选为18～25kV，进一步优选为20～23kV，更优选为21～22kV，纺丝喷头移动速度优选为350～430cm/min，进一步优选为370～ 410cm/min，更优选为380～400cm/min。 [0037] 本发明中，纺丝喷头移动速度为纺丝喷头左右移动速度，纺丝喷头左右移动距离与接收板(接受滚轮)等宽。 [0038] 本发明中，二氧化硅纳米纤维呈纺锤体型纺丝至锡纸或硅油纸，得到二氧化硅纳米纤维膜。 [0039] 本发明中，步骤1)所述有机改性蒙脱土和N,N‑二甲基甲酰胺的质量体积比优选为0.15g：33～42mL，进一步优选为0.15g：35～40mL，更优选为0.15g：37～38mL。 [0040] 本发明中，步骤1)所述超声处理的时间优选为1.5～2.5h，进一步优选为2h；步骤2)所述超声震荡的时间优选为0.5～1h，进一步优选为0.75h。 [0041] 本发明中，步骤2)所述浸渍为二氧化硅纳米纤维膜完全浸没于有机改性蒙脱土溶液中。 [0042] 本发明中，步骤2)所述干燥优选为烘干处理或阴干处理，烘干处理的温度优选为90～110℃，进一步优选为95～105℃，更优选为100℃，烘干处理的时间优选为7～9h，进一步优选为7.5～8.5h，更优选为8h；阴干处理的时间优选为2.5～3.5d，进一步优选为3d。 [0043] 本发明还提供了所述的制备方法制备得到的二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜。 [0044] 本发明的二氧化硅/有机改性蒙脱土纳米纤维膜中，O‑MMT呈均匀片状分散于纤维丝孔径中。 [0045] 本发明还提供了二氧化硅‑有机改性蒙脱土纳米纤维膜在保温隔热防火中的应用。 [0046] 下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。 [0047] 实施例中，有机改性蒙脱土为浙江丰虹新材料股份有限公司的DK5型号有机蒙脱土；静电纺丝机的型号为JDF05，购自长沙纳仪仪器科技有限公司；超声处理和超声振荡的功率均为500W，频率均为40kHz。 [0048] 实施例1 [0049] 将18.8g硅酸四乙酯、7.9g无水乙醇、2.6g纯水、1.26g质量浓度为1％的盐酸按顺序混合，得到二氧化硅纳米纤维溶液；将二氧化硅纳米纤维溶液在磁力搅拌器中加热，设置温度为80℃、转速为500r/min，得到二氧化硅纺丝液。 [0050] 将二氧化硅纺丝液放入静电纺丝机中进行纺丝，电压设置为20kV，纺丝喷头左右移动速度为400cm/min，二氧化硅纳米纤维呈纺锤体型纺丝至锡纸，得到二氧化硅纳米纤维膜。 [0051] 将0.15g O‑MMT加入到40mLN,N‑二甲基甲酰胺中进行超声处理2h，得到O‑MMT溶液。将二氧化硅纳米纤维膜(规格为5cm×5cm)浸渍于O‑MMT溶液中，进行超声震荡0.5h，超声产物在100℃下烘干8h，得到SiO2/O‑MMT纳米纤维膜。 [0052] 实施例2 [0053] 将18.8g硅酸四乙酯、8.0g无水乙醇、2.6g纯水、1.28g质量浓度为1％的盐酸按顺序混合，得到二氧化硅纳米纤维溶液；将二氧化硅纳米纤维溶液在磁力搅拌器中加热，设置温度为82℃、转速为600r/min，得到二氧化硅纺丝液。 [0054] 将二氧化硅纺丝液放入静电纺丝机中进行纺丝，电压设置为21kV，纺丝喷头左右移动速度为380cm/min，二氧化硅纳米纤维呈纺锤体型纺丝至硅油纸，得到二氧化硅纳米纤维膜。 [0055] 将0.15g O‑MMT加入到35mLN,N‑二甲基甲酰胺中进行超声处理2h，得到O‑MMT溶液。将二氧化硅纳米纤维膜(规格为5cm×5cm)浸渍于O‑MMT溶液中，进行超声震荡0.5h，超声产物自然阴干处理3天，得到SiO2/O‑MMT纳米纤维膜。 [0056] 实施例3 [0057] 将18.5g硅酸四乙酯、7.7g无水乙醇、2.4g纯水、1.23g质量浓度为1.1％的盐酸按顺序混合，得到二氧化硅纳米纤维溶液；将二氧化硅纳米纤维溶液在磁力搅拌器中加热，设置温度为78℃、转速为480r/min，得到二氧化硅纺丝液。 [0058] 将二氧化硅纺丝液放入静电纺丝机中进行纺丝，电压设置为18kV，纺丝喷头左右移动速度为410cm/min，二氧化硅纳米纤维呈纺锤体型纺丝至锡纸，得到二氧化硅纳米纤维膜。 [0059] 将0.15g O‑MMT加入到37mLN,N‑二甲基甲酰胺中进行超声处理2.5h，得到O‑MMT溶液。将二氧化硅纳米纤维膜(规格为5cm×5cm)浸渍于O‑MMT溶液中，进行超声震荡1h，超声产物在105℃下烘干7h，得到SiO2/O‑MMT纳米纤维膜。 [0060] 图1为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的扫描电子显微镜图，其中，左上角的两个图片展示了纳米纤维膜的柔性和可折叠性，柔性图中红色圈为MMT与纤维形成的层与层之间的交联。 [0061] 图2为实施例2自然阴干处理得到的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜；图3为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜进行拉伸前的形貌；图4为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜进行拉伸后的形貌。 [0062] 对实施例1～3制备的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜进行保温隔热性能、力学性能测试。 [0063] 隔热性能测试：采用热常数分析仪Hot Disk TPS2500S进行测试，实施例1～3的‑1 ‑1 ‑1 ‑1 ‑1SiO2/O‑MMT纳米纤维膜导热系数分别为0.037W·m ·K 、0.035W·m ·K 、0.038W·m ·‑1 K 。 [0064] 力学性能测试：使用力学性能测试仪(拉力试验机，型号ZQ‑990A，东莞市智取精密仪器有限公司)进行力学性能测试，与未添加O‑MMT的二氧化硅纳米纤维膜相比，实施例1～3的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的抗拉强度分别为1.25MPa、1.23MPa、1.24MPa，比未添加蒙脱土的二氧化硅纤维膜的抗拉强度高2～3倍。延展性为可拉伸而不断裂的最大长度，通过拉力试验机测得SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的拉伸长度增加2～3倍；实施例1～3的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的拉伸强度分别为0.53MPa、0.51MPa、0.52MPa。 [0065] 图5为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜的酒精灯加热图，其中，a为酒精灯外焰加热纳米纤维膜，b为加热后的纳米纤维膜，c为加热后的纳米纤维膜展开图；由图5的b和c可知，酒精灯外焰(600℃)加热后纳米纤维膜的形状和外观未出现明显变化，加热后的膜展开，可恢复原状且无裂痕，纳米纤维膜在酒精灯加热下仍保持柔韧性。 [0066] 图6为实施例1的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜在液氮中浸渍的图片，由图可知，SiO2/O‑MMT纳米纤维膜在液氮中保持柔韧性。 [0067] 本发明通过二氧化硅纳米纤维和蒙脱土(O‑MMT)纳米片交联组装，制备得到SiO2/O‑MMT纳米纤维膜；二氧化硅纳米纤维膜浸渍于O‑MMT溶液中，通过干燥除去残留液并让O‑MMT附着于纳米纤维空隙中，所制得的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜具有高柔韧性，弯曲不断裂，在延展性中表现为可拉伸长度为自身长度2～3倍，抗拉强度可达1.23MPa以上，具有良好的机械稳定性和耐高温性能，SiO2纳米纤维与O‑MMT纳米片之间的交联作用使得SiO2/O‑MMT纳米纤维膜具有低导热系数，本发明的SiO2/O‑MMT纳米纤维膜有望成为下一代消防员制服制造的理想材料，为其大规模工业化生产提供依据。 [0068] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

意见反馈